-
Metallischer Drehflügel Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen
an Drehflügeln für Luftfahrzeuge.
-
Seit vielen Jahren sind Flugzeugflügel aus Holz im wesentlichen durch
vernietete oder durch Punktschweißungen verbundene Aluminiumkonstruktionen ersetzt
worden. Jedoch haben sich bei der Entwicklung von Hubschraubern genietete oder punktgeschweißte
Drehflügel als unbrauchbar erwiesen. Drehflügel sind verwickelten Belastungen unterworfen,
die sich aus periodischen Kräften, Schleuderkräften, Stößen, Belastungswechseln,
starken Schwingungen und wechselndenLuftwiderständen zusammensetzen. Bei der Übertragung
dieser Kräfte und durch die dadurch hervorgerufenen Gegenwirkungen entstehen an
den Nieten oder den Punktschweißungen Belastungskonzentrationen, die einen Flügelbruch
während des Fluges verursachen können. Eine genietete oder punktgeschweißte Flügelbauart
konnte daher niemals Flügel aus Holz ersetzen, das dynamische Schwingungen dämpft
und deshalb weniger von Materialermüdung hervorrufenden Belastungen angegriffen
wird. Deshalb ist beimBau von tragenden Drehflügeln für Hubschrauber die Verwendung
von Holz vorherrschend geblieben.
-
Luftfahrtingenieure bestätigen übereinstimmend, daß sowohl theoretisch
als auch in der Praxis höchstens eine rein äußerliche Ähnlichkeit zwischen Starrflügeln
und tragenden Drehflügeln vorhanden ist.
-
Das Prinzip einer durchgehenden Flügelbauart kann an sich zur Verminderung
von Schäden bei Metall-Tragflügeln angewendet werden. Beispielsweise wird bei einer
älteren Art eines Metalldrehflügels ein D-förmiger Aluminiumträger als Hauptträger
verwendet, der von der Flügelwurzel bis zur Spitze reicht und die Vorderkante des
Flügels bildet. Jedoch ist diese Bauart mit Nachteilen verknüpft. Aluminiumteile
weisen Ermüdungserscheinungen infolge von Unvollkommenheiten auf, die sich normalerweise
bei der Herstellung ergeben. Kratzer, Werkzeugspuren, Gefügeschäden und Fremdkörpereinschlüsse
finden sich häufig bei durch Strangpressen hergestellten Aluminiumteilen. Wenn ein
bis auf Spannweite durchgehender D-förmiger Strang verwendet wird, muß er innen
und außen sorgfältig geprüft werden, um gegebenenfalls derartige Schäden zu entdecken.
Solche Vorsichtsmaßnahmen erhöhen die Herstellungskosten erheblich.
-
Zu den Herstellungskosten treten die Kosten für das Auswechseln der
Flügel. Die meisten Drehflügelarten können nicht für die ganze Lebensdauer des Hubschraubers
als zuverlässig betrachtet werden, und deshalb wird im allgemeinen für diese Flügel
eine sogenannte Dienstzeit festgesetzt, die kurz genug ist, um Ausfälle durch Materialermüdung
zu vermeiden. Nachdem diese Dienstzeit abgelaufen ist, müssen die Drehflügel ersetzt
werden.
-
DieAufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Drehflügelaufbau
mit einem seine Vorderkante bildenden Holm, der in an sich bekannter Weise aus einem
Profilträger und einem auf dessen Flansche befestigten rinnenförmigen Profilblech
besteht sowie einem an diesem Holm befestigten Hinteraufbau, so auszubilden, daß
er leicht in Massenfabrikation hergestellt werden kann und dabei, wie in der Praxis
erwiesen, eine Lebensdauer hat, die der des Hubschraubers entspricht.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Profilblech auf
seiner ganzen auf den Flanschen des Profilträgers anliegenden Fläche durch Lötung
verbunden ist.
-
Vorzugsweise ist der Profilträger in Abstand von den hinteren Kanten
des Profilblechs an diesem angelötet, wobei die nach hinten über die Lötstellen
vorstehenden Enden des Profilblechs den Hinteraufbau des Flügels tragen, z. B. mittels
Klebeverbindung.
-
Es empfiehlt sich, den Profilträger als U-Träger auszubilden, dessen
Flansche sich in Richtung auf die Vorderkante des Drehflügelprofils erstrecken,
wobei
sich an beiden Seiten längs der Lötstellen verdickte Streifen
von Lötmaterial befinden können, welche die durch die Endkanten oder durch Abkröpfungen
der Flansche gebildeten Rinnen ausfüllen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden Teil der Beschreibung
an Hand von Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist Fig.l eine schaubildlicheDarstellung
eines inRichtung der Spannweite teilweise dargestellten Holms, der als tragender
Flügelbauteil dient, Fig.2 ein schematisch dargestellter Schnitt des in Fig.l dargestellten
Holms mit Angabe der Abmessungen, die bei der Herstellung eines derartigen Holms
kritisch sind, Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung des hinteren Aufbaus, Fig.4
eine Draufsicht des zusammengesetzten Drehflügels mit dem in Fig.l dargestellten
Hauptträger und dem in Fig. 2 dargestellten hinteren Aufbau sowie mit einem Anschlußstück
zum Halten der Flügelwurzel, Fig.5 eine linke Stirnansicht des in Fig.4 dargestellten
Aufbaus und Fig.6 eine quer zum Holm verlaufende Schnittansicht einer anderen Ausführung
der Erfindung, bei der der hintere Aufbau nur in Teilstücken gezeigt ist.
-
Ein schmaler Stahlstreifen (Fig. 1) aus verhältnismäßig dickem Material,
der sich über die gesamte Spannweite des Drehflügels erstreckt, wird zu einer Rinne
oder Mulde 1 geformt, die als Flügelvorderkante und als Hauptträger dient. Die Stahlrinne
1 hat nach hinten weisende obere und untere Kanten 2, die von der Innenfläche zur
Außenfläche nach hinten abgeschrägt oder nach außen gebogen sind. Innerhalb der
Rinne 1, und zwar ziemlich weit vorwärts der nach hinten gerichteten Kanten 2, ist
in Richtung der Spannweite ein aus Stahl bestehender U-Träger 3 eingesetzt.
-
Die Rinne 1 und der U-Träger 3 sind vorzugsweise durch fortlaufendes
Walzen hergestellt. Die nach vorn gerichteten Flansche 4 des U-Trägers sind so gewalzt,
daß sie etwas konvergieren und daß ihre Außenflächen dicht an der Innenfläche der
Stahlrinne 1 anliegen. An der Hinterseite der Flansche 4 hat der U-Träger 3 einen
ungefähr lotrechten Steg 5.
-
Die Verbindung der Rinne 1 mit den Flanschen 4 des U-Trägers 3 erfolgt
durch Lötung, beispielsweise durch Lötung mit Silberlot. Auf diese Weise werden
obere und untere Lötnähte 6 hergestellt, die auf der gesamten Spannweite des Holms
ohne Unterbrechung vorhanden sind und sich über die gesamte Breite der Flansche
4 erstrecken. Durch den Fluß des Lötmaterials entstehen Füllungen oder Übergänge
sowohl an der Vorderseite der Flansche (als obere und untere vordere Füllungen 7
bezeichnet) und an der Hinterseite der Flansche 4 (als obere und untere hintere
Füllungen 8 bezeichnet). Diese Füllungen 7 und 8 reichen gleichfalls über die gesamte
Spannweite.
-
Ohne die von den oberen und unteren Lötnähten 6 ausgeübte Verankerung
könnte sich die Rinne 1 bei Torsionsbeanspruchung verwinden. Der Schermittelpunkt
der Stahlrinne liegt vorwärts der Rinnenvorderkante. so daß durch eine Biegung eine
zusätzliche Verwindung hervorgerufen werden würde. Würde die Rinne 1 ohne diese
Verankerung einer solchen Verwindung unterworfen, dann würden entsprechende Punkte
in den oberen und unteren Binnenwänden die Neigung zeigen, sich in Richtung der
Spannweite mit Bezug aufeinander abzuheben oder durchzubiegen, und die Größe dieser
Durchbiegungen würde sich in Richtung der Spannweite entsprechend der Verwindung
ändern.
-
Bei dem dargestellten Aufbau wird dieser Durchbiegungsneigung mittels
der von den breiten ununterbrochenen Lötnähten 6 erhöhten Scherfestigkeit des U-Trägers
entgegengewirkt. Da die zur Einwirkung kommende Verwindung sich in Richtung der
Spannweite ändert, haben die in diesen Lötnähten 6 auftretenden Scherkräfte in Richtung
der Spannweite wechselnde Werte, deren Größe innerhalb der ununterbrochenen Lötnähte
6 zunimmt und abnimmt.
-
Lötverbindungen, auf die wechselnde Belastungen zur Einwirkung kommen,
sind bisher als unzuverlässig angesehen worden. Dies ist dann richtig, wenn eine
Schwingbelastung oder Wechselbelastung an der Kante einer Lötverbindung Beanspruchungen
hervorruft, deren Stärke bei beginnendem Versagen der Lötstelle zunimmt. Es wurde
jedoch gefunden, daß die in Richtung der Spannweite auftretenden Beanspruchungsstufen,
die sich innerhalb der ununterbrochenen Lötnähte 6 erhöhen und vermindern, ein vorzeitiges
Versagen nicht hervorrufen. Außerdem wurde gefunden, daß die bei der Massenanfertigung
zu erwartenden Unvollkommenheiten und Unregelmäßigkeiten in den Lötnähten 6 innerhalb
der breiten Lötflächen der Lötnähte 6 isoliert werden, während kleinere Fehler die
Lötnähte 6 in keinem merklichen Ausmaße schwächen.
-
Um die erwähnte Holmfestigkeit und Verläßlichkeit zu erhalten, muß
der Flügel folgende Abmessungen haben (Fig. 2) a) Ausgleich: Der Schwerpunkt des
aus Stahlrinne 1 und U-Träger 3 bestehenden Aufbaus soll so liegen, daß sich die
Masse des gesamten Flügels im Gleichgewicht befindet. Der Abstand g des Schwerpunktes
hinter der führenden Kante muß etwa 120/o der Flügeltiefe c sein und kann bei besonders
leichtem Hinteraufbau weiter nach hinten bis zu etwa 150/o von c liegen.
-
b) Flächenstabilität: Die Breite der Stahlrinne 1 zwischen den oberen
und unteren Lötnähten 6 ist mit p und die Plattendicke der Stahlrinne ist mit
t
bezeichnet. Wird die Breite p als Breite einer Feldfläche angesehen, die
Schwingungskräften unterworfen ist, dann beeinträchtigen diese Kräfte nicht wesentlich
die Festigkeit der Lötnähte 6, wenn t gleich oder größer als 10/o von p ist. Für
gewöhnlich wird t
nicht größer als 3'°/o von p sein.
-
c) Die Lötnaht: Die Lötnaht 6 muß so breit sein, daß den Rinnenschwingungen
nicht durch das nach vorn und hinten erfolgende Biegen einer schmalen Lötnaht entgegengewirkt
wird. Diese Schwingungen sollen vielmehr von den in den Füllungen 7 und 8 auftretenden
und als Kräftepaar wirkenden lotrechten Kräften aufgehoben werden. Die Breite b
der Flansche 4 kann entsprechend der Dicke w des U-Trägers 3 gewählt werden. Dabei
soll b gleich oder größer als 5 w sein.
-
d) Die Materialdicken: Erwünscht ist, die Dicke w des U-Trägers 3
möglichst klein zu halten. Die Dicke w des U-Trägers 3 soll mindestens die halbe
Dicke t der Stahlrinne sein.
-
Die an der Innenfläche der Stahlrinne 1 hinter dem U-Träger 3 (Fig.
1) befindlichen Abschnitte werden als Rinnenbefestigungsränder 9 bezeichnet. Diese
Ränder 9 dienen zu dem beispielsweise mittels Klebverbindungen erfolgenden Befestigen
des Hinteraufbaus. Unter den zur Einwirkung gebrachten Belastungen haben sich keine
nachteiligen Durchbiegungen oder Ablenkungen gezeigt, wenn die
Befestigungsränder
9 etwa 201/o der wirksamen Flächenbreite p betrugen. Diese Randbreite ist für Befestigungszwecke
mehr als ausreichend.
-
Fig. 3 zeigt einen bevorzugten Hinteraufbau 10, bei dessen Anfertigung
keine in Richtung der Flügeltiefe verlaufende Zwischenrippen verwendet wurden. Der
Aufbau besteht aus einer oberen und unteren Flügelbeplankung 11, die beide am Hinterkantenstoß
12 mittels eines Verstärkungsteiles, beispielsweise eines pfeilförmigen Ansatzes
13, verbunden sind. Vor dem Hinterkantenstoß 12 sind die oberen und unteren Flügelbeplankungen
11 in Richtung der Spannweite mittels einer Reihe von ununterbrochenen, in Richtung
der Spannweite verlaufenden U-Trägern vereinigt, wobei ein hinterer U-Träger 14,
ein mittlerer U-Träger 15 und ein eine Spreize bildender vorderer U-Träger 18 angeordnet
sind.
-
Unmittelbar vor dem eine Spreize bildenden U-Träger 18 haben die oberen
und unteren Flügelbeplankungen 11 nach innen gerichtete Kröpfungen 16, die parallel
zu den Vorderkanten der Flügelbeplankungen verlaufen und diese Kanten um eine der
Dicke der Stahlrinne 1 entsprechende Größe nach innen versetzen. Die vor den Kröpfungen
16 liegenden Abschnitte werden als obere und untere Flügelbeplankungsränder bezeichnet.
Auf der Hinterseite der Kröpfungen 16 ist ein dicht passender, in Richtung der Spannweite
verlaufender U-Träger eingesetzt, der der obenerwähnte U-Träger 18 ist. Dieser U-Träger
18 hat nach hinten gerichtete Flansche 19 und einen im wesentlichen lotrechten Steg
20, der in die Flansche 19 mit Eckenabrundungen 21 übergeht, die in die Hinterseite
der Kröpfungen 16 eingeschachtelt sind. Der U-Träger 18 dient nicht nur als Bauteil,
sondern hält auch die Kröpfungen 16 der oberen und unteren Beplankungen in genauer
Stellung, so daß jede Durchbiegung der Ränder 17 verhütet wird.
-
Die Beplankungen 11 enden vorn in in senkrechtem Abstand voneinander
stehenden, freien Vorderkanten 22. Zwischen den Kanten 22 und den Kröpfungen 16
haben die Vorderränder 17 nach innen gerichtete Flansche 23. Die zwischen den Kröpfungen
16 und den Flanschen 23 befindlichen Vorderränder 17 werden an die Ränder 9 angeklebt,
und die zwischen den nach innen gebogenen Flanschen 23 und den freien Kanten 22
befindlichen Flächenabschnitte werden an die Hinterfläche des Steges 5 des Stahlträgers
angeklebt.
-
Die Beplankungen 11 und die U-Träger 14, 15 und 18 bestehen aus Leichtbaustoff,
z. B. Aluminiumblech, und sind durch in Richtung der Spannweite verlaufende, ununterbrochene
Nähte, beispielsweise mittels einer Klebverbindung, miteinander verbunden.
-
Vor dem Zusammensetzen des Hinteraufbaus und der Rinne 1 werden längs
der Außenseite der oberen und unteren Flächen nahe dem Wurzelende zwei stählerne,
konturierte, untere und obere äußere Holmverstärkungen24 aufgeschweißt. Beide Verstärkungen
sind in Fig. 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt nur die obere Holmverstärkung. Am Wurzelende
erstrecken sich diese Verstärkungen hinter die Rinnenkanten 2, außerhalb der Wurzel
jedoch verlaufen die Verstärkungen 24 kegelförmig zur Vorderkante und enden in fingerartigen
Verstärkungsspitzen 25. Die Aufgabe dieser Verstärkungsspitzen besteht darin, eine
allmähliche Änderung in der Holmfestigkeit herbeizuführen.
-
Die Reihenfolge des gegenseitigen Zusammenbaus der Teile des Hinteraufbaus
10 und des Anbaus an den Holm kann geändert werden. Klebmaterial in Streifenform
wird von den Kröpfungen 16 bis zu den freien Vorderkanten 22 über die gesamten Außenflächen
der vorderen Beplankungsränder 17 gelegt. Dieses Klebmaterial wird auch über diejenigen
Wurzelabschnitte der oberen und unteren Flügelbeplankungen 11 gelegt, über die die
Verstärkungsplatten 24 zu liegen kommen. Ein Druck wird dann nach außen ausgeübt,
um die Beplankungsränder 17 gegen die Rinnenränder 9 und die Hinterfläche des Holmensteges
5 zu drücken. Zur Erhöhung der Festigkeit an den Kröpfungen.16 werden in Richtung
der Spannweite verlaufende Winkel 26, die längs ihrer gesamten außenliegenden
Winkelflächen mit Klebstoff überzogen sind, an den Schnittstellen zwischen der Vorderfläche
des Steges 20 und den Innenflächen der Ränder 17 unmittelbar vorwärts der Kröpfungen
16 eingesetzt. Die Klebstoffverbindungen werden dann wie üblich unter Anwendung
von Wärme gehärtet.
-
Der Drehflügel kann in der in den Fig.4 und 5 dargestellten Weise
fertiggestellt werden, indem hinter dem mittleren U-Träger 15 eine Wurzelverschlußrippe
27, eine Flügelverschlußrippe 28 und ferner feste obere und untere Wurzelpaßstückscheiben
29 aufgeklebt werden. Für Schraubenflügel mit einem Zugpaßstück erstrecken sich
die Paßstückscheiben über die gesamte Flügeltiefe. Die Innenflächen dieser Scheiben
sind konturiert, so daß sie sich genau an die Außenfläche der Wurzelstirnendabschnitte
der Holmverstärkungen 24, ferner an die hinter diesen Verstärkungen befindlichen
Beplankungen 11 und an den Hinterkantenbautei113 anlegen. Der Hinterabschnitt der
Paßstückscheiben 29 kann, wie Fig.4 zeigt, schuhartig sein und kann den Hinterkantenbauteil
13 umfassende kappenartige Ansätze 30 und abgeflachte Lappen 31 aufweisen, die sich
einwärts des Wurzelendes von Bauteil 13 dicht aneinanderlegen und senkrechte Bohrungen
haben, so daß sie ein als Zugbefestigung arbeitendes Paßstück 32 bilden.
-
Die hauptsächlichste Wurzelbefestigung erfolgt dadurch, daß der Flügel
durchbohrt und eine kräftige Büchse 33 in die obere und untere Scheibe 29 sowie
in die Holmverstärkungen 24 eingezogen wird. Diese Büchse kann hinter den Holmkanten
2 eingebaut werden, wie Fig. 5 zeigt.
-
Der im Querschnitt in Fig.6 dargestellte abgeänderte Flügelaufbau
besteht aus einer Stahlrinne 34, die den Massenausgleich und die führende Kante
des Drehflügels bildet und die nach hinten weisende obere und untere Kanten 35 hat.
Diese Kanten sind nach hinten und außen abgerundet. Die Stahlrinne 34 wird genau
wie die bereits beschriebene Stahlrinne 1 mittels Auswalzens hergestellt. Der Holm
dieses Aufbaus enthält ferner einen in Richtung der Spannweite aufgestellten stählernen
U-Träger besonderer Form, der ebenfalls durch Auswalzen hergestellt ist und der
einen hintenliegenden senkrechten Steg 36 sowie gewalzte, nach außen gekröpfte obere
und untere Flansche 37 hat. Die Außenflächen der vorwärts und auswärts der Kröpfungen
38 gelegenen Abschnitte dieser Flansche 37 liegen an der Innenfläche der Stahlrinne
34 an und sind an diese Innenfläche in breiten ununterbrochenen oberen und unteren
Lötnähten 39 in der gleichen Weise wie die Lötnähte 6 der Fig. 1 angelötet. Die
zwischen den Kröpfungen 38 und dem Steg 36 gelegenen Flanschenabschnitte sind die
inneren Flanschenabschnitte 40, die von den hinteren Randabschnitten der Rinnenihnenfläche
34 nach innen versetzt sind und nahe den abgerundeten Hinterkanten 35 parallel zu
diesen hinteren Randabschnitten verlaufen. Die Zwischenräume zwischen
den
inneren Flanschabschnitten 40 und der Innenfläche der Stahlrinne 34 bilden in Richtung
der Spannweite verlaufende Schlitze oder Spalten, die so breit sind, daß sie die
Dicke der mit zwei Schichten eines Klebmittels überzogenen hinteren Flügelbeplankungen
41 aufnehmen können.
-
Der bei dieser Ausführung verwendete hintere Aufbau besteht aus einer
oberen und einer unteren Beplankung 41 aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder Kunststoff
mit in Richtung der Spannweite vorhandenen Kröpfungen 42, die parallel zu ihren
vorderen Kanten verlaufen, wobei die vorwärts der Kröpfungen 42 befindlichenAbschnitte
nach innen gekröpft sind und als Randabschnitte 43 zur Befestigung der Beplankung
verwendet werden. Hinter den Kröpfungen 42 haben die Beplankungen 41 die gewünschte
Flügelaußenform, auf der sie mittels eines oder mehrerer in Richtung der Spannweite
verlaufenden U-Träger 44 gehalten werden. Die Beplankungen sind an dem Hinterkantenteil
45 pfeilartiger Form angeklebt.
-
Die Befestigungsränder 43 zur Befestigung der Beplankung sind auf
der Innen- und Außenfläche mit Klebstoff, der einfach eine Streifenform haben kann,
überzogen und werden in die nach hinten offenen Spalten zwischen den Innenflächen
der Stahlrinne 1 und den Außenflächen der Flansche 40 eingeschoben. Die abgerundeten
Hinterkanten der Stahlrinne 1 und die Rundungen an den oberen und unteren Enden
des U-Träger-Steges 36 erleichtern das Einschieben der Beplankungsränder 43. Die
an den vorderen Enden der Flansche 40 vorhandenen Kröpfungen ermöglichen das Ausüben
von nach außen gerichteten Drücken, so daß der notwendige Druck auf den Klebstoff
während des durch Erwärmen erfolgenden Härtens ausgeübt werden kann. Diese nach
außen erfolgenden Drücke können mechanisch oder pneumatisch zur Einwirkung gebracht
werden, wobei die für diesen Zweck dienenden Werkzeuge in Längsrichtung in die Rinne34
vorwärts des Steges 36 leicht eingeschoben werden können. Die auf diese Weise hergestellte
Klebstoffverbindung hält beide Seiten der Beplankungsränder 43 und klemmt die Ränder
fest, ermöglicht jedoch die elastische Aufnahme kleiner örtlicher Durchbiegungen.
Wurzelverstärkungen und Paßstücke können zur Fertigstellung des Drehflügels in der
gleichen Weise aufgebracht werden, wie dies bei der bereits beschriebenen Ausführung
erfolgte.
-
In beiden dargestellten Ausführungen ergibt der Holmaufbau bei Massenherstellungsverfahren
einen verhältnismäßig starren statisch ausgeglichenen tragenden Flügelaufbau. Der
Holm hat breite, ununterbrochene, in Richtung der Spannweite verlaufende Lötnähte,
die vorn und hinten von Füllungen begrenzt sind, die an den Flanschen des U-Trägers
haften. In Richtung der Spannweite auftretende Beanspruchungen werden innerhalb
der Lötnahtflächen aufgenommen, während in Richtung der Flügeltiefe auftretende
Beanspruchungen von den weit auseinanderliegenden und als Kräftepaar wirkenden Füllungen
aufgenommen werden. Die Dicke der Holmplatte ist so groß, daß sie bei ihrer von
diesen Füllungen begrenzten Breite nicht auf die Schwingungen der auf sie zur Einwirkung
kommenden Frequenzen anspricht. Die Lötnähte lassen sich längs der auf . der Hinterseite
befindlichen Füllungen durch Betrachten leicht untersuchen. Der tragende Bauteil
kann gewünschtenfalls als flüssigkeitsdichtes Rohr verwendet werden. Die hinteren
Abschnitte des Bauteils dienen zum beispielsweise mittels Klebstoffes erfolgenden
ständigen Befestigen von aus leichten Baustoffen bestehenden Flügelbeplankungen.
Dabei ist Vorkehrung getroffen, daß örtliche Durchbiegungen dieser Beplankungen
an ihren Befestigungsrändern verhütet werden und auf diese Weise der Beginn von
Fehlern vermieden wird.